Plastik Şekil Değişimine Uğramış Otomobil Rotunun Yorulma Davranışının Deneysel ve Sayısal Analizi

Abstract

Otomobil rotu genellikle daha önce hiçbir kuvvet etkisi altında kalmamış ve üzerinde hiçbir kalıcı şekil değişimi meydana gelmemiş kabul edilerek test ve analiz edilmektedir; ancak rot, araçta birçok kuvvete maruz kalmaktadır ve bu kuvvetler rot başında plastik şekil değişimine neden olabilir. Rot başı, aracın sürüş stabilitesini bozmayan bir değerde deforme olduğunda sürücü bunu fark edemeyebilir ve aracı kullanmaya devam edebilir. Bunun sonucunda ön deformasyona uğramış olan rot başına sürüş sırasında tekrarlı kuvvetler uygulandığında yorulma ömrü bu ön deformasyondan etkilenebilir. Rot başı, tahmin edilen ömürden daha kısa bir sürede yorulma hasarı alarak sürüş güvenliğini tehlikeye atabilir. Çalışma kapsamında binek araç rot başı tasarımı için önemli bir kriter olan yorulma dayanımı, hem hiçbir ön deformasyona maruz kalmamış standart rot başlarında hem de parça üzerinde plastik şekil değişimi meydana getiren bir ön yükleme ile deformasyona uğratılmış rot başlarında araştırılmıştır. Öncelikle, rot başına uygulanacak olan ön yükleme belirlenmiştir. Sonra, hem sağlıklı hem de ön deformasyona uğramış rotlar için yorulma testleri ve sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları, Bergmann, Morrow ve Smith-Watson-Topper adlı yorulma modellerinde işlenerek uygulanan yaklaşımın hassasiyeti belirlenmiştir. En sonunda, ön deformasyonun yorulma ömrüne olan etkisi deneysel ve sayısal olarak araştırılıp elde edilen sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, ön deformasyonun rot başı yorulma ömrünü kayda değer bir şekilde etkilediği ve bunun tasarım sürecinde dikkate alınması gerektiğini göstermiştir.

Keywords

• Rot
• Rot başı
• Yorulma ömrü tahmini
• Ön deformasyon
• Nümerik analiz
• Yorulma modelleri

Experimental and Numerical Fatigue Behaviour Analysis of a Plastically Deformed Automobile Tie Rod

Abstract

Automobile tie rod is generally tested and analyzed by assuming that it has never been previously subjected to any load and no permanent deformation has occurred on it. However, the tie rod is subjected to various forces while driving and these forces can cause plastic deformation at the tie rod end. If tie rod is deformed to a value that does not affect the driving stability of the vehicle, the driver may not be able to detect it and continue driving. As a result, fatigue life can be influenced by this pre-deformation if repeated forces are applied to tie rod, which has undergone pre-deformation, during driving. The tie rod end can endanger the driving safety by causing fatigue damage earlier than the estimated life. In this study, fatigue strength, which is an important criterion for the design of passenger car tie rod end is investigated both on standard tie rod ends which were not pre-deformed and on tie rod ends which were deformed with a preload that caused plastic deformation on the part. Initially, the preload to be applied on the tie rod is determined. Then fatigue tests and the finite element analyses are performed for both healthy and pre-deformed rods. The sensitivity of the approach is determined by processing the analysis results in fatigue models such as Bergmann, Morrow and Smith-Watson-Topper. Finally, the effect of pre-deformation on fatigue life is explored both experimentally and numerically and the results are compared with each other. The results have shown that pre-deformation significantly affects the fatigue life of the tie rod end which should be considered at design step.

Keywords

• Rod
• Tie rod end
• Fatigue life estimation
• Pre-deformation
• Numerical analysis
• Fatigue models

References

1. [1] Bannantine, AJ., Comer, JJ. and Handrock LJ. 1983. Fundamentals of Metal Fatigue Analysis. Englewood Cliffs, Prentice Hall, N.J, USA.
2. [2] Seçkin, SM. 2010. Plaka Bağlantı Cıvatalarının Yorulmasının Deneysel İncelenmesi. İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul.
3. [3] Falah, AH., Alfares, MA., Elkholy, AH. 2007. Failure İnvestigation of a Tie Rod End Of An Automobile Steering System. Engineering Failure Analysis, Cilt. 14, s. 895-902, DOI:10.1016/j.engfailanal.2006.11.045.
4. [4] Ikechukwu, O., Aniekan, I., Ebunilo, P.O., Ikpe E. 2016. Investigation of a Vehicle Tie Rod Failure in Relation to The Forces Acting On The Suspension System. American Journal of Engineering Research, cilt. 5(5), s. 208-217.
5. [5] Güvenç M. A. 2015. Dayanıklık ve Ömür Kriterlerine Göre Optimum Tasarıma Sahip Süspansiyon ve Direksiyon Sistemi Bileşenleri Geliştirilmesi. Selçuk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Konya.
6. [6] Koh, SK. 2009. Failure analysis of an automotive steering link, Engineering Failure Analysis, Cilt. 16, s. 914-922. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2008.08.014.
7. [7] Budak I. 2019. Plastik Şekil Değişimine Uğramış Binek Araç Rotunun Yorulma Davranışının Deneysel ve Nümerik Analizi. Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İzmir.
8. [8] Sayyar, M., Soroushian, P., Weerasiri RR., 2014. Evaluation of the Prestressing Effects On The Fatigue Life Of Composite Box Sections. Journal of Composite Materials, Cilt. 48(1), s. 71–79, DOI: 10.1177/0021998312468187.

9. [9] Minguillón, CC., Casas, JR. 1998. Fatigue Reliability Analysis of Prestressed Concrete Bridges. Journal of Structural Engineering, Cilt. 124(12), s. 1458–1466.
10. [10] Jeong, Y., Kim, W, Gribniak V., Hui, D. 2019. Fatigue Behavior Of Concrete Beams Prestressed with Partially Bonded CFRP Bars Subjected to Cyclic Loads. Materials, Cilt. 12(20), s. 3352. DOI: 10.3390/ma12203352.
11. [11] Morrow, J. Fatigue Properties Of Metals, 1968. Section 3.2. In: Fatigue Design Handbook, Pub. No. AE-4. SAE, Warrendale, PA, USA.
12. [12] Smith, KN., Watson, P., Topper, TH. 1970. A Stress-Strain Function For The Fatigue of Materials. Journal of Materials, Cilt. 5, s. 767–778.
13. [13] Basquin, OH. 1910. The Exponential Law of Endurance Tests. American Society for Testing and Materials. 10, 625–630.
14. [14] Socie, DF., Morrow, JD. 1980. Review of Contemporary Approaches to Fatigue Damage Analysis. Editors: BurkeJJ, WeissV.Riskand Failure Analysis for Improved Performance and Reliability, s. 141–194, Plenum Publication Corp, NY, USA.
15. [15] Manson, SS., Halford GR. 1981. Practical Implementation of The Double Linear Damage Rule and Damage curve Approach For Treating Cumulative Fatigue Damage. International Journal of Fracture, Cilt. 17,s. 169–172.
16. [16] Bergmann JW. 1983. Zur Betriebsfestigkeitsbemessung gekerbter Bauteile aufder Grundlage der 'örtlichen Beanspruchungen, Institut f'ür Stahlbau und Werk-stoffmechanik, TH Darmstadt.
17. [17] LMS user help. 2017. UML Estimation of Fatigue Properties. Anonim, 1995.